Теория сборки

Чтобы узнать о теории коммуникации о социальных взаимодействиях, см. теорию сборки действий .

Синтез аристолохиевой кислоты . Синтез сложных молекул требует многих этапов. И чем больше шагов требуется для синтеза той или иной молекулы, тем вероятнее, что она имеет биологическое (или технологическое) происхождение.

Теория сборки — это основа для количественной оценки отбора и эволюции. Применительно к сложности молекул авторы показывают, что это первый метод, поддающийся экспериментальной проверке, в отличие от других алгоритмов молекулярной сложности, в которых отсутствуют экспериментальные измерения.

Фон

Гипотеза была предложена химиком Лероем Кронином в 2017 году и развита возглавляемой им командой в Университете Глазго . затем расширен в сотрудничестве с командой из Университета штата Аризона под руководством астробиолога Сары Имари Уокер в статье, выпущенной в 2021 году.

Теория сборки концептуализирует объекты не как точечные частицы, а как сущности, определяемые их возможной историей формирования. Это позволяет объектам демонстрировать признаки отбора в четко определенных границах отдельных лиц или выбранных единиц. Комбинаторные объекты важны в химии, биологии и технологии, в которых большинство объектов интереса (если не все) представляют собой иерархические модульные структуры. Для любого объекта «пространство сборки» можно определить как все рекурсивно собранные пути, которые создают этот объект. «Индекс сборки» — это количество шагов на кратчайшем пути создания объекта. Для такого кратчайшего пути пространство сборки занимает минимум памяти с точки зрения минимального количества операций, необходимых для создания объекта на основе объектов, которые могли существовать в его прошлом. Сборка определяется как «общая сумма выбора, необходимая для создания ансамбля наблюдаемых объектов»; для ансамбля, содержащего $N_{T}$ объекты в целом, $N$ из них уникальные, сборка $A$ определяется как

$A=\mathop {\sum } \limits _{i=1}^{N}{e}^{{a}_{i}}\left({\frac {{n}_{i}-1}{{N}_{\rm {T}}}}\right)$,

где $n_{i}$ обозначает «номер копии», количество вхождений объектов типа $i=\{1,2,\dots ,N\}$ имеющий индекс сборки $a_{i}$.

Например, слово «абракадабра» состоит из 5 уникальных букв (a, b, c, d и r) и имеет длину 11 символов. Его можно собрать из составляющих как a + b --> ab + r --> abr + a --> abra + c --> abrac + a --> abraca + d --> abracad + abra --> абракадабра, потому что «абра» была построена уже на более раннем этапе. Поскольку для этого требуется как минимум 7 шагов, индекс сборки равен 7. Например, слово «abracadrbaa» одинаковой длины не имеет повторов, поэтому его индекс сборки равен 10.

Возьмите две двоичные строки $C=[01010101]$ и $D=[00010111]$ как еще один пример. Оба имеют одинаковую длину $N=8$ биты, оба имеют одинаковый вес Хэмминга $N_{1}=N/2=4$. Однако индекс сборки первой строки равен $a(C)=3$ («01» собирается, соединяется сам с собой в «0101» и снова соединяется с «0101», взятым из пула сборок), а индекс сборки второй строки равен $a(D)=6$, так как в этом случае из пула сборок можно взять только «01».

В общем, для K субъединиц объекта O индекс сборки ограничен $\log _{2}(K)\leq a_{O}\leq K-1$.

Как только путь сборки объекта обнаружен, объект можно воспроизвести. Скорость открытия новых объектов можно определить по скорости расширения. $k_{\text{d}}$, представляя временные рамки открытия $\tau _{\text{d}}\approx 1/k_{\text{d}}$. Включить номер копии $n_{i}$ в динамике теории сборки сроки производства $\tau _{\text{p}}\approx 1/k_{\text{p}}$ определяется, где $k_{\text{p}}$ это скорость производства конкретного объекта $i$. Определение этих двух разных временных рамок $\tau _{\text{d}}$, для первоначального обнаружения объекта, и $\tau _{\text{p}}$, для создания копий существующих объектов, позволяет определить режимы, в которых возможен отбор.

Хотя другие подходы могут обеспечить определенную степень сложности, исследователи утверждают, что число молекулярных сборок теории сборки является первым, которое можно измерить экспериментально. Молекулы с высоким индексом сборки вряд ли будут образовываться абиотически, и вероятность абиотического образования снижается с увеличением значения индекса сборки. Индекс сборки молекулы можно получить непосредственно спектроскопическими методами. Этот метод может быть реализован в приборе фрагментационной тандемной масс-спектрометрии для поиска биосигнатур .

Теория была расширена для отображения химического пространства с помощью деревьев молекулярной сборки, демонстрируя применение этого подхода при открытии лекарств. в частности, в исследовании новых опиатоподобных молекул путем соединения «элементов пула сборки по той же схеме, по которой они были отсоединены от исходного соединения (-ов)».

Трудно идентифицировать химические признаки, уникальные для жизни. Например, биологические эксперименты посадочного модуля «Викинг» обнаружили молекулы, которые можно объяснить либо живыми, либо естественными неживыми процессами. Похоже, что только живые образцы могут производить измерения индекса сборки выше ~ 15. Однако в 2021 году Кронин впервые объяснил, как полиоксометаллаты теоретически могут иметь большие индексы сборки >15 из-за автокатализа.

Критические взгляды

Химик Стивен А. Беннер публично раскритиковал различные аспекты теории сборки. Беннер утверждает, что утверждение о том, что неживые системы без какого-либо вмешательства со стороны жизни не могут содержать сложные молекулы, является явной ложью, но люди будут введены в заблуждение, думая, что, поскольку эта статья была опубликована в журналах Nature после рецензирования, эти статьи должны быть правы.

Статья опубликована в Журнале молекулярной эволюции. относится к сообщению в блоге Гектора Зенила «который выявляет не менее восьми ошибок теории сборки». В статье также имеется ссылка на видеоэссе того же автора. остающийся «который суммирует эти заблуждения и подчеркивает концептуальные / методологические ограничения, а также повсеместную неспособность сторонников теории сборки признать соответствующие предыдущие работы в области науки о сложности». В статье делается вывод, что «ажиотаж вокруг теории сборки довольно неблагоприятно отражается как на авторах, так и на системе научных публикаций в целом». Автор заключает, что «на самом деле теория сборки занимается обнаружением и количественной оценкой предвзятости, вызванной ограничениями более высокого уровня в некоторых четко определенных мирах, основанных на правилах»; можно «использовать теорию сборки, чтобы проверить, не ли что-то неожиданное происходит в очень широком диапазоне миров или вселенных компьютерных моделей ».

Группу возглавляет Гектор Зенил, бывший старший научный сотрудник и преподаватель Оксфорда и Кембриджа, а в настоящее время доцент кафедры биомедицинской инженерии Королевского колледжа Лондона . Цитируется, что он воспроизвел результаты теории сборки с помощью традиционных статистических алгоритмов.

Еще одна статья, написанная группой химиков и ученых-планетологов, в том числе автором, связанным с НАСА , опубликованная в журнале Королевского общества Интерфейс. продемонстрировали, что абиотические химические процессы могут образовывать кристаллические структуры большой сложности — значения, превышающие предложенное абиотическое/биотическое разделение индекса MA = 15. Они пришли к выводу, что «хотя предложение о биосигнатуре, основанной на индексе молекулярной сборки 15, является Это интригующая и проверяемая концепция, утверждение о том, что только жизнь может создавать молекулярные структуры с индексом MA ≥ 15, ошибочно».

Газета также цитирует статьи и сообщения Гектора Зенила. как вопрос о том, можно ли использовать одно скалярное значение, такое как индекс сборки, для адекватного различения живых и неживых систем, а также указание на заметное сходство подхода теории сборки с нецитируемыми предыдущими попытками отличить биотические от абиотических молекулярных соединений.

В частности, в документе упоминается, что Зенил и его коллеги «возможно, также предвосхитили ключевые выводы теории сборки, исследуя связи между причинной памятью, отбором и эволюцией».

См. также

• Список межзвездных и околозвездных молекул
• Словесная задача для групп.

Дальнейшее чтение

• Кронин, Лерой; Уокер, Сара Имари (3 июня 2016 г.). «За пределами пребиотической химии» . Наука . 352 (6290): 1174–1175. Бибкод : 2016Sci...352.1174C . doi : 10.1126/science.aaf6310 . ISSN   0036-8075 . ПМИД   27257242 . S2CID   206649123 .
• Кронин, Лерой; Красногор, Наталио; Дэвис, Бенджамин Г.; Александр, Кэмерон; Робертсон, Нил; Стейнке, Иоахим Х.Г.; Шредер, Свен Л.М.; Хлобыстов Андрей Н.; Купер, Джефф; Гарднер, Пол М.; Зипманн, Питер (2006). «Игра в имитацию — вычислительно-химический подход к распознаванию жизни» . Природная биотехнология . 24 (10): 1203–1206. дои : 10.1038/nbt1006-1203 . ISSN   1546-1696 . ПМИД   17033651 . S2CID   4664573 .
• Болл, Филип (4 мая 2023 г.). «Новая теория формирования жизни во Вселенной» . Журнал Кванта .